Modélisation et simulation du thermoformage

Modeling and simulation of thermoforming

• Auteur / Autrice : Aniket Ghosh Dastidar
• Direction : Marie-France Lacrampe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mileux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 25/03/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre for Materials and Processes / CERI MP - IMT Nord Europe
• Jury : Président / Présidente : Noëlle Billon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrahmane Ayadi, Erwan Verron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abbas Tcharkhtchi, Franck Toussaint

Mots clés

Mots clés libres

Thermoformage

Corrélation d'images numériques

Méthodes inverses

Polymères amorphes

Méthode des éléments finis

Frottement

Thermoforming

Digital image correlation

Inverse methods

Amorphous polymers

Finite element method

Friction

Résumé

Cette thèse est focalisée sur la simulation et la modélisation de l’étape de formage d’un procédé de thermoformage assisté par poinçon, pour la mise en forme de feuilles thermoplastiques amorphes. L’étude a été orientée vers le développement d’une méthode hybride expérimentale-numérique pour combler la divergence entre les résultats numériques approximatifs et les mesures expérimentales. La méthode hybride se base sur différentes briques élémentaires, notamment (i) une approche de modélisation phénoménologique, (ii) une intégration de données expérimentales de champs complets « réalistes » obtenus par la technique de stéréo-corrélation d’images numériques et (iii) une approche « finite element method updating » (FEMU). Pour cela, dans un premier temps les contextes technologiques et scientifiques du thermoformage ont été investigués. Dans un deuxième temps, les principaux défauts liés à ce procédé ainsi que les défis rencontrés lors des simulations numériques ont été mis en évidence. Par la suite, une revue non exhaustive de la littérature a été menée sur des modèles constitutifs couramment utilisés dans le cadre des simulations de thermoformage. Par conséquent, un modèle du type Mooney-Rivlin hyperélastique à deux paramètres, a été considéré pour la brique numérique de la méthode hybride. La méthode FEMU a été d’abord alimentée par des données expérimentales de champs complets de déplacements obtenus à partir de mesures stéréo-DIC combinés à des tests d’étirement unidirectionnel quasi-isotherme de polystyrène choc (PSC) afin d’identifier par méthode inverse les paramètres du modèle hyperélastique. Les résultats de l’identification inverse montrent que les paramètres identifiés du modèle sont très sensibles à l’hétérogénéité des champs expérimentaux et au choix de la région d’intérêt. Ainsi, une approche originale utilisant des tests de mouvement de corps rigides a été proposée pour quantifier les incertitudes et les erreurs affectant les données stéréo-corrélation d’images numériques dans la gamme de températures de thermoformage. Enfin, la méthode hybride a été extrapolée à des conditions non isothermes sur la base d’un « vrai » cas d’étude de thermoformage assisté par poinçon. Une preuve de concept de la méthode hybride expérimentale-numérique développée est démontrée pour identifier le coefficient de frottement réel dans un mode de Coulomb.

This thesis presents insights into the modelling and simulation of the forming stage of a plug-assisted thermoforming of amorphous thermoplastic sheets. An emphasis has been laid on the development of a hybrid experimental-numerical method to bridge the gap between the existing numerical results and experimental measurements. The method utilizes different bricks including (i) a phenomenological modelling approach, (ii) integration of realistic full-field experimental data based on stereo-DIC instrumentation, and (iii) a finite element method updating (FEMU) approach. For this purpose, both the technological and scientific contexts of thermoforming were first investigated. Second, the main flaws encountered during the process and the challenges during numerical simulations were highlighted. After, a non-exhaustive literature review of commonly used constitutive models in the context of thermoforming simulations was conducted. Consequently, a two-parameter hyperelastic Mooney-Rivlin model was considered for the numerical brick of the hybrid method. The FEMU method was firstly fed by experimental full-field of displacement data obtained from stereo-DIC measurements combined to quasi-isothermal unidirectional stretching of High Impacts Polystyrene (HIPS), to inversely identify the hyperelastic model parameters. Results of the inverse identification show that identified model parameters are highly sensitive to the heterogeneity of the experimental fields and the selected region of interest. Thus, an original approach using rigid body motion tests was suggested to quantify the uncertainties and errors affecting the stereo-DIC data within the range of thermoforming temperatures. Finally, the hybrid method has been extrapolated to non-isothermal conditions based on a "real" plug-assisted thermoforming case. A proof of concept of the developed hybrid experimental-numerical method is demonstrated to fine-tune the actual friction coefficient in a Coulomb model.